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1、LNG 接收站冷能利用方案比选 胡超，郑元杰，焦长安，生动，韩荣鑫 中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东青岛266400 摘要：为了高效利用LNG 蕴藏着的大量优质冷能，探索出最适合于山东LNG 接收站的冷能利用方式， 对冷能空分与冷能发电这两种目前最常用的方案进行了研究。先通过市场容量、冷能利用量、 冷能利用率、 操作稳定性影响和清洁低碳五个方面的对比分析，认为 LNG 冷能发电方案不存在市场问题、冷能利用量大、 利用率高、操作稳定性强、并且更加绿色环保。其次，以LNG 利用量 190t/h 为基准，对“混合工质-单工 质双循环”、“混合工质-单循环”和“单工质-单循环”三种LNG 冷能
2、发电技术进行了建模计算分析，结 果表明“混合工质 +单工质双循环” 的冷能发电模式发电量更大、能效更高， 因此推荐采用该冷能发电方案。 关键词：冷能利用；冷能发电；LNG 接收站； Comparison of cold energy utilization scheme at a LNG terminal Hu Chao, Zheng Yuanjie, Jiao Changan, Sheng Dong, Han Rongxin （Sinopec Qingdao LNG Co.,Ltd ，Shandong Qingdao 266400） Abstract For efficient utiliz
3、ation of high-quality cold energy in LNG, and to probe out the most suitable cold energy utilization pattern for Shandong LNG terminal ,this article researched two common scenarios which are cold energy generation and air separation. Firstly,by contrast and analysis on five aspects of market capacit
4、y,the mount and ratio of cold energy utilization,operation stability,environment protection,it is deem that the scheme of LNG cold energy generation do not exist market problems ,and have large consumption, high utilization, strong operational stability, also more green environment. Then, based on 1
5、90t/h of LNG consumption, three kinds of LNG cold energy generation technologies of mixture-single refrigerant dual cycle, mixed refrigerants- single cycle and single refrigerant-Single cycle,that were analyzed by modeling calculation , the results show that the mode of mixture-single refrigerant du
6、al cycle can generate more power and have high efficiency,and so it was recommended for cold energy generation. Key words Cold energy utilization,Cold energy generation, LNG terminal 1 引言 随着 LNG 产业的发展， LNG 冷能利用技术得到不断进步，其主要用于冷 能发电、冷能空分、冷冻食品及仓库制冷、低温干燥与粉碎、制取液体二氧化碳 等 1-3。其中，冷能发电和冷能空分是利用温位最低、利用量最大、利用效率最
7、高的两种方式 4-6 。 日本是目前世界上冷能利用较好的国家，目前有 26 台独立的 冷能利用设备，其中冷能发电15 台套 7 ；中国台湾中油公司永安LNG 接收站 1990 年建成一座 LNG 冷能发电站 8 ；福建莆田 LNG 接收站于 2009 年建成中 国第一套冷能空分装置， 其后，江苏如东 LNG 接收站 2013 年也建成一套冷能空 分装置 9-10。如何高效利用 LNG 蕴藏着的大量优质冷能、实现能量利用以及利 益的最大化已逐渐成为国内LNG 接收站关注的热点 11。为此，文章以山东 LNG 接收站为研究对象，从市场容量、冷能利用量、冷能利用率、操作稳定性影响和 清洁低碳五个方面
8、对冷能发电与冷能空分两个方案进行了对比，并进行相关建模 分析，提出了一个适合于该接收站发展的冷能综合利用方案。 2 冷能利用方案 2.1 利用 LNG 冷能的空分方案 低温分离法即深度冷冻空气分离法， 是采用低温技术从空气中分离氧气和氮 气的技术。 空气中的主要组成成分是氧气和氮气，两者的沸点不同。 首先把空气 压缩、预冷、净化，进一步冷却至摄氏零下一百多度，使之成为液态空气，然后 利用氧和氮的沸点差， 经过在精馏塔中把液态空气多次部分蒸发和部分冷凝，将 氧气和氮气分离开来，得到提纯的氧气和氮气 12。 由于空分装置所需达到的温度比LNG 的温度还要低，故此利用LNG 的冷 量冷却空气可大幅度
9、降低能耗， 简化空分流程， 减少建设投资及操作费用。 同时， 冷能空分与冷能发电类似，其生产替代了部分LNG 气化器功能，使得LNG 接 收站的气化费用也可降低。 2.2 LNG 冷能发电方案 利用 LNG 冷能发电是目前应用较广，研究较多，技术要求最高的一种冷能 利用技术。其大致原理是利用LNG 的低温冷了使工质液化，而后工质经加热气 化再到汽轮机中膨胀做功带动发电机发电 13。常规使用的冷能发电循环主要包 括以下三种方法 14： （1）直接膨胀循环法是利用低温泵加压后送至气化器，经海水换热后再送 至膨胀透平机做功，带动发电机工作从而输出电能； （2）朗肯循环法是利用LNG 冷能将冷媒（中间
10、介质）冷凝为液体后通过增 压泵增压送至气化器， 气化后的冷媒进入膨胀透平机做功，带动发电机发电， 完 成做功后的低压冷媒再进入冷凝器即进入下一个循环； （3）联合法为朗肯循环法和直接膨胀法的组合。LNG 经低温泵加压后通过 冷媒换热器， 冷媒换热后经过增压泵增压然后送至气化器，气化后的冷媒进入膨 胀透平机做功，输出电能；而经过冷媒换热器换热后的LNG 温度已有所升高， 再利用海水换热后完全气化，送至膨胀透平机做功发电。 3 方案对比分析 3.1 产品市场容量和冷能利用量 冷能空分一般是液体产品， 需要低温罐储存和车辆运输周转。而冷能发电则 无需储存和运输。从原理上讲，两者都能起到LNG 气化器
11、的作用，可全部或部 分替代 LNG 接收站的气化器。 （1）LNG 接收站建在海边，离大容量空分气体产品市场（如大型钢厂、煤 化工企业）较远，没有稳定的、大容量的气体产品用户市场，如果建设冷能空分 只能生产液体产品。经市场调研发现，目前在山东LNG 接收站周边 300 公里范 围内空分产品用户数量较少， 市场容量不足， 主要是分散的液氧、 液氮和液氩用 户，若建设两套 600t/d 的冷能空分相当于每年需销售43.2 万吨的液体产品量， 要完成全量销售较为困难。 如果不能满产全销， 则冷能空分的冷能利用率、 装置 能耗和经济效益就不能达到原来预期的指标； （2）出于安全性和经济性的考虑，空分液
12、体产品的最佳销售半径一般为 100300km以内，液体产品储罐也不可能做得很大，单罐一般为3000m 3 为宜， 一旦销售不畅或车辆运输周转遇阻，极易发生涨库， 同样会对冷能空分的冷能利 用率、装置能耗和经济效益造成负面影响 15； （3）冷能空分的冷能利用量受到空分液体产品产量的制约，而冷能发电则 可以将轻烃回收后的LNG 全部进行利用；并且，冷能发电作为一种清洁能源无 论是自用还是外输，均不存在市场问题，也不存在储存和运输问题。 3.2 冷?利用率和电量差 冷能发电利用的温位比冷能空分低15左右，能更加充分地利用LNG 冷 能。从世界范围来看，低温冷能发电是利用LNG 冷能实例最多的方式。
13、冷能空 分除利用 LNG 蕴藏的冷能外还需要另外耗电， 能量利用形式是将冷能和电能转 化蓄藏在液体产品中、 以产品价格形式体现出来， 下游用户一般是直接将液体产 品作为原料使用， 此部分冷量几乎没有可能被回收再利用，直接浪费掉了； 而冷 能发电则是将 LNG 中蕴藏的冷能全部回收发电，冷?利用率高，能量利用更为 合理。 3.3 操作稳定性影响 从冷能利用装置与LNG 接收站操作稳定性的相互关联度分析，冷能发电更 好。 冷能发电装置的操作弹性一般为60%100%，大于空分装置的75%105%， 更具有灵活性。如上所述，冷能发电只是起到LNG 气化器的作用，电能产品没 有运输、储存和销售的后顾之忧
14、，完全可以使冷能发电装置尽可能满负荷运行， 同时以 LNG 气化器作为平衡、备用手段，全厂的操作稳定性较好。 而空分装置是否能满负荷稳定运行，受液体产品销售影响很大。 因储罐容量 有限，且用汽车点对点运输， 一旦销售不畅容易引起涨库，空分装置就无法满负 荷运行。空分装置生产的波动又会反过来影响LNG 气化器的负荷调节，相互影 响。 另外，空分装置的生产从启动、 维冷到出产品，达到正常运行需要较长时间， 对 LNG 冷源供应稳定性要求更高。 而冷能发电生产的全过程则启动、停车更快， 负荷调节更灵活，受LNG 冷源供应影响要小。 3.4 清洁环保、绿色低碳 冷能发电是无污染排放的清洁生产电能，而冷
15、能空分是消耗电能， 前者的清 洁环保、节能降耗和绿色低碳性能较为显著，更加符合国家产业发展政策导向和 企业发展方向。 3.5 发展空间和节省投资 如前所述，冷能发电和冷能空分均可以起到全部或部分替代LNG 气化器的 作用，基于产品市场容量的原因，LNG 接收站扩建时，前者可以同步扩建，而 后者受市场容量限制扩建较难。故此，冷能发电扩建时，LNG 接收站的扩建项 目可不建或少建 LNG 气化器， 节省较大投资，而冷能空分则难以起到为LNG 接 收站扩建节省投资的作用。 4 技术方案选择 4.1 三种“工质与流程组合”的分析比较 通过上文阐述，推荐山东LNG 接收站采用联合法冷能发电方案，所需的冷
16、 能来源于经轻烃回收装置处理后的贫LNG，大致工艺流程如下： LNG 船 LNG 储罐 / 升压泵 LNG 高压泵汽化单元计量外输 C2储罐轻烃回收 LPG储罐 LNG 槽车 BOG压缩机 BOG再冷凝器 贫 LNG 富 L N G 贫LNG BOG （LNG产品加压泵） 冷能发电 NG 图 1 接收站工艺流程示意图 常用的 LNG 冷能发电方案中，联合法效率最高 16，考虑到 LNG 接收站周 围环境，选用海水为循环提供热源。 对于朗肯循环法又面临着 “混合工质”与 “单 一工质”、“多循环”与“单循环”的选择。 这里分别基于目前山东LNG 冷能利用项目建设条件，假定在相同LNG 利 用量的
17、基准下，对“混合工质-单工质双循环”、“混合工质-单循环”和“单工 质-单循环”三种 LNG 冷能发电技术进行建模计算，从而得到理论上三种技术 在冬季和夏季条件下的全系统各项数据和结果。流程图见下图所示， 模拟计算主 要结果汇总见表 1 （假定夏季海水最高温度取25，冬季海水最高温度取5）。 图 2 混合工质 -单工质双循环流程图 图 3 混合工质 -单循环流程图 图 4 单工质 -单循环流程图 需要注意的是，由于低温朗肯循环发生在环境温度与LNG（-162）的温 度之间，该循环需要工质的相变，为使LNG 冷能充分利用，应重点考虑两个因 素：一是工质的蒸发温度应尽可能的接近LNG 的温度（ -
18、162），这样使实际 循环温差会较大，因此效率也越高；二是工质在极端的环境下应保证相变能力， 使循环能顺利完成，保持全年运行 17-18 。据此，本方案构建的混合工质为甲烷、 乙烯、丙烷、丙烯等组分构成。 表 1 三种方案的LNG 冷能发电主要结果汇总表 技术指标 混合工质 +双循环混合工质 + 单循环单工质 + 单循环 夏冬夏冬夏冬 输出功kw4777.53549.64065305639142840 输入功kw236.5293.2172.7201.0207.8168.0 净发电量kw454132563892285537062672 LN G 流量t/h190190190 海水流量t/h189
19、2 55453298694257936107 从数据分析可以得出如下结论： （1）冬季相较于夏季，由于充当热源的海水温度相对较低，在其它条件不 变的情况下其输出功有所减少； （2）无论冬季还是夏季，从工质选择来看，混合工质优于单一工质；从发 电量来看，双循环优于单循环； （3）将工质和流程组合后，能效从高到低的技术依次为：“混合工质-双循 环”、“混合工质 -单循环”和“单工质 -单循环”。 因此，推荐采用“混合工质+双循环”的冷能发电工艺流程。 4.2 “混合工质 +双循环”方案效果分析 （1） 山东 LNG 接收站一期工程用电量 （含码头、管输）为 1593124453 万 kwh/a，冷
20、能发电装置的年平均发电量3898.5万 kwh/a，仅占 LNG 接收站一期 总用电量的 13%20%， 占接收站扩建后总用电量的10%。而目前山东 LNG 接收 站一期工程刚刚开始低负荷运行情况下，晚间最小用电负荷最小为4167kwh/h， 仍然高于冷能利用工程所发电量。根据冷能发电“电能自用”原则，自发电能不 外输，不存在市场问题，方案较为现实。 （2）与生产能力为 600t/d 的两套冷能空分装置相比较， 两者电能相差约 1.8 万度电。以燃煤发电 CO2、SO2和 NOx 排放指标测算， 两种方案的三种排放物 排放量差值分别达到约14.7 万吨/年、838 吨/年和 478 吨/年，证
21、明利用 LNG 冷能发电更加绿色环保。 （3）以两套 600t/d 的冷能空分为例，经测算利用的LNG 量只有 104.30t/h （以 8400h/a 计），仅占山东LNG 接收站富 LNG 轻烃回收后输出量（ 160 万 t/a）的 55%左右，从能量利用的角度看，LNG 冷能没有得到充分利用本项目冷 能发电的 LNG 利用量为 190t/h，是冷能空分方案的1.8 倍以上，冷能利用更为 充分。 5结论 （1）从市场容量、冷能利用量、冷能利用率、操作稳定性影响和清洁低碳 五个方面分析， LNG 冷能发电与冷能空分方案相比较，冷能发电方案无需储存 和运输，不存在市场问题，并且冷能利用量大、利
22、用率高、操作稳定性强、更加 绿色环保，故此冷能发电方案比较适合于山东LNG 接收站。 （2）通过对“混合工质 -单工质双循环”、“混合工质-单循环”和“单工 质-单循环”三种 LNG 冷能发电技术进行建模计算分析，结果表明“混合工质+ 单工质双循环” 的冷能发电工艺较其它两种模式发电量更大、能效更高， 因此推 荐使用该模式的冷能发电方案。 作者简介：胡超， 1986年，硕士研究生，毕业于中国石油大学（北京）机电工程专业；工程师，现从 事于山东 LNG接收站设备管理工作。 电话： 18853220093；Email： 参考文献 1 G. Tsatsaronis, T. Morosuk. Adva
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